完美的時(shí)序:用抖動(dòng)與相位噪聲測(cè)量做時(shí)鐘分頻
表1,時(shí)域儀器-頻域儀器之間的差異
對(duì)大部分器件來(lái)說(shuō),兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)有相同JO的直覺(jué)是正確的,雖然事實(shí)上,一個(gè)被2除的時(shí)鐘信號(hào)的相位噪聲要比原時(shí)鐘信號(hào)的相位噪聲低6dB。注意對(duì)于除以2的情況,6dB=20×log2。
下面的例子給出了相位噪聲與抖動(dòng)被2除的效果。這些測(cè)量采用了一只Silicon Laboratories的Si5324 PLL器件(圖5)。注意,高速VCO對(duì)輸出時(shí)鐘做再同步,而不管最終的輸出頻率,這意味著對(duì)所有可能的分頻器值,邊沿的形狀與位置都應(yīng)是相同的。唯一不同的應(yīng)該是在給定時(shí)間間隔內(nèi)出現(xiàn)的少數(shù)幾個(gè)時(shí)鐘邊沿。雖然存在一些重新定時(shí)噪聲,但它對(duì)所有分頻器值都是一樣的(圖6)。
圖5,測(cè)量采用了Silicon Laboratories的Si5324 PLL器件。
圖6,高速VCO重新同步輸出時(shí)鐘,而與最終輸出頻率無(wú)關(guān),這意味著對(duì)所有可能的分頻值,邊沿形狀與位置都應(yīng)相同。唯一的區(qū)別應(yīng)是在給定的時(shí)間間隔內(nèi),出現(xiàn)較少的時(shí)鐘邊沿。
圖中的六根曲線基本相同,但垂直方向相差6dBc/Hz。對(duì)所有偏移頻率與分頻器值,這6dB的間隔都相對(duì)恒定,只有一個(gè)或兩個(gè)例外。在圖的右側(cè),時(shí)鐘(或載波)的偏移為最大,曲線之間的相對(duì)垂直偏移被壓縮。當(dāng)時(shí)鐘頻率降低時(shí),壓縮也增加。當(dāng)時(shí)鐘頻率和相位噪聲曲線值減小時(shí),這個(gè)壓縮也變得更明顯。出現(xiàn)壓縮的原因是,Agilent技術(shù)公司E5052B型信號(hào)源分析儀的本底噪聲接近于Si5324 IC的相位噪聲或抖動(dòng)產(chǎn)生值。因?yàn)镾i5324的超低抖動(dòng)與低載波頻率相結(jié)合的效應(yīng),才使本底噪聲成為一個(gè)問(wèn)題。表2給出了六張圖各自的抖動(dòng)值,抖動(dòng)從100Hz~20MHz做積分,所有抖動(dòng)值均為飛秒rms。
注意當(dāng)輸出頻率降低時(shí),抖動(dòng)會(huì)略微增加,這證明了,輸出抖動(dòng)是一個(gè)相對(duì)恒定的值,盡管相位噪聲曲線之間有6 dB的分離度。在最低輸出頻率上,抖動(dòng)增加的速率變得更明顯。下面讓我們看看兩種rms相位噪聲值的增長(zhǎng)來(lái)源:儀器本底噪聲與混疊。
本底噪聲,相位噪聲
在低時(shí)鐘頻率下,儀器的本底噪聲可能成為極低抖動(dòng)時(shí)鐘相位噪聲測(cè)量的限制性因素。某種程度上,你測(cè)量的是自己的設(shè)備,而不是DUT。即使當(dāng)時(shí)鐘頻率降低時(shí),相位噪聲曲線單調(diào)地減小,rms沿抖動(dòng)也幾乎保持恒定不變,因?yàn)橄辔辉肼暦e分是用時(shí)鐘周期來(lái)改變r(jià)ms抖動(dòng)值的大小。
為演示這種情況,考慮對(duì)相位噪聲積分,產(chǎn)生一個(gè)rms抖動(dòng)值的過(guò)程。大多數(shù)現(xiàn)代相位噪聲設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)有兩欄的文件,通常是一個(gè)CSV(逗號(hào)分隔值)文件。其中一欄列出了與時(shí)鐘(或載波)頻率偏差的頻率值,單位為赫茲。另一欄則列出了在偏移頻率處,參照每赫茲載波的相位噪聲值(分貝)。因此,這些欄中包含的各對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)描述了對(duì)時(shí)鐘頻率一個(gè)確定偏移處的相位噪聲。用方程:線性值=10(dBc/Hz)/10將參照每赫茲載波的分貝值轉(zhuǎn)換為線性值后,對(duì)所有頻率偏移點(diǎn)的曲線下面積求和做積分。
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